摘要：分析并確定了高速無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主回路的導(dǎo)通方式�？刂破魇且詫Ｓ眯酒蚆c33039來進(jìn)行設(shè)計(jì)。位置反饋采用霍爾傳感器，開關(guān)器件采用MOsFET管。設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護(hù)等。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；高速；速度閉環(huán)；控制器；實(shí)驗(yàn)弓l 言高速電機(jī)具有體積小、功率密度高、可直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海測試平臺及導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工的高速磨削、銑床設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)如直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或效率較低等不足。而近幾年發(fā)展起來的無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種用電子換向裝置代替機(jī)械換向裝置的新型直流電動(dòng)機(jī)，通常采用永磁體轉(zhuǎn)子，因此沒有激磁損耗；其發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，熱阻較小，散熱容易；具有效率高、過載能力強(qiáng)、無換向火花等優(yōu)點(diǎn)，是高速電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
本文設(shè)計(jì)了一種具有低價(jià)格、高效率的小功率專用高速無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器。介紹了無刷。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，分析并確定了主回路的導(dǎo)通方式�？刂破饕詫Ｓ眯酒琈c33035和來進(jìn)行設(shè)計(jì)。位置反饋元件有霍爾傳感器反饋接口。開關(guān)器件采用MOsFET管，設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護(hù)等。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，而且該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性及可移植性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
系統(tǒng)工作原理及總體方案根據(jù)技術(shù)要求，以Mc33035為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)采用PWM方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，采用電機(jī)內(nèi)置的霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。由接收霍爾傳感器的位置信號，并對其進(jìn)行譯碼，對應(yīng)的真值見表1。以電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：33039作為功率變換元件，采用三相全橋驅(qū)動(dòng)。
整個(gè)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制�？刂瓶驁D如圖所示。外環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，均采用控制，以消除靜差。電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)基本上為恒流控制，即內(nèi)環(huán)起作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，系統(tǒng)基本表現(xiàn)為一個(gè)恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。這樣既能保證系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度快，整體上又是一個(gè)無靜差系統(tǒng)，能達(dá)到很高的控制精度。
從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號一方面送人Mc：33035(sa，sb，sc)，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起停控制端、制動(dòng)控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算后，產(chǎn)生三相逆變器上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理，即產(chǎn)生PwM調(diào)制信號。另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送人進(jìn)行F/y轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號F0ut。Fout通過簡單的阻容濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號送入Mc：33035的PwM輸入端，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性。
硬件設(shè)計(jì)電流限制采用分流電阻進(jìn)行電流檢測的電路示意圖如圖2所示。其中分流電阻接在功率驅(qū)動(dòng)橋的下端與功率板地線之間。因?yàn)镸c33035的管腳9內(nèi)部連接著比較器的正相輸入端，故該比較器的反相輸入端可為芯片內(nèi)部提供100 mV的標(biāo)準(zhǔn)電壓。分流電阻的阻值一般比較小。本設(shè)計(jì)中采用康銅絲來代替，R21取值為0．051Ω／3w。
事實(shí)上，由分壓關(guān)系可得：
式中，，Imax為電機(jī)****允許電流(設(shè)為10 A)；R21為分流電阻；I00（mv)代表的是過流檢測比較器的反相輸入端的輸入電壓。
管腳9的輸入電壓為過流檢測比較器的正相輸入端．這樣，通過選擇合適的R8、R9(阻值盡量大)的值，并滿足以上關(guān)系，便能起到很好的過流保護(hù)作用。對于本設(shè)計(jì)：R8／R9=10 xO．05的-1次方這樣，可取R8為120Ω，Rq為30Ω。
速度閉環(huán)設(shè)計(jì) Mc3：3039是專為無刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制設(shè)計(jì)的集成電路。系統(tǒng)不必使用高價(jià)的電磁式或光電測速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器3個(gè)輸出信號，經(jīng)F／V變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號。
腳1、2、3接收位置傳感器3個(gè)信號，經(jīng)有滯后的緩沖電路，抑制輸人噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對極下6個(gè)脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時(shí)元件cT和Rr的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳5輸出的fout信號的占空比與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號經(jīng)R5,C6，R6低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓，送人Mc33035 PwM輸入端進(jìn)行閉環(huán)控制。
由課題可知，從Mc33039的管腳5輸出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的3×4=12個(gè)脈沖數(shù)。
本設(shè)計(jì)是按電動(dòng)機(jī)的****轉(zhuǎn)速來選擇定時(shí)元件。
設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的****轉(zhuǎn)速為15 000 r／min，即／s)。此時(shí)每秒輸出的脈沖數(shù)是250×個(gè)，即頻率為3 000 Hz，周期約為O．33 ms。
可取定時(shí)元件R1為250 kΩ，c1為750tPF。
誤差放大器Mc33035中的誤差放大器外圍電路參數(shù)如圖4所示。開關(guān)閉合時(shí)。則為開環(huán)速度控制，此時(shí)放大器被接成增益為1的電壓跟隨器；而開關(guān)斷開時(shí)。則為閉環(huán)速度控制。此時(shí)放大器增益為lO。圖3中的電容c3起平滑濾波作用。改變圖中R4的值可以改變控制器的調(diào)速范圍。
振蕩器由于PwM頻率約為24 kHz，Mc：
的振蕩器元件參數(shù)為：R2選5.l kΩ，C2選0．01μ其連接方式如圖4所示。
驅(qū)動(dòng)部分本文所采用的驅(qū)動(dòng)模塊是上橋臂通過光耦進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而下橋臂則是直接驅(qū)動(dòng)。圖為上橋臂的M0sFET功率管V橋臂的驅(qū)動(dòng)電路圖。其中光耦起到隔離信號的作用。要驅(qū)動(dòng)功率管，需接一阻值約為60 n的電阻。圖中采用個(gè)電阻并聯(lián)是為了防止電流過大而燒毀電阻。圖中，6個(gè)功率管都是N溝道功率MOsFET的柵極。其中上側(cè)3個(gè)MOsFET的源極和下側(cè)3個(gè)柵極。它們均由Mc33035驅(qū)動(dòng)。上側(cè)功率M0sFET由低電平驅(qū)動(dòng)，下側(cè)功率M0sFET由高電平驅(qū)動(dòng)；每次各有一個(gè)上側(cè)功率M0sFET和一個(gè)下側(cè)功率MOSFET導(dǎo)通，且受Mc33035的控制。正常工作時(shí)，上下兩個(gè)導(dǎo)通的功率應(yīng)不在同一橋臂上。其連接方式為：上橋臂驅(qū)動(dòng)信號與Mc33035的管腳l、2、24相連，下橋臂驅(qū)動(dòng)信號依次與Mc33035的管腳19、20、相連。
由于光耦Pc817需要3 v以上的電壓才能工作，因此接的電阻不應(yīng)過大或過小。課題中所給的開關(guān)電源是5 V。綜上所述，取2個(gè)3．6 kn電阻并聯(lián)可以達(dá)到預(yù)期效果。光耦前接的三極管是用對信號進(jìn)行放大，以使得光耦能夠正常工作。
故障延時(shí)鎖存在錯(cuò)誤指示輸出腳14和使能腳7加入Rc電路后可實(shí)現(xiàn)過流延時(shí)鎖存的關(guān)斷，以用于區(qū)別電機(jī)起動(dòng)與過載情況下的持續(xù)工作。
由于提供額外的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可使有較大惰性的電機(jī)起動(dòng)更容易，并能保持過流保護(hù)功能。故可通過將電流極限設(shè)為高于正常值并達(dá)到一定的時(shí)間的方法來實(shí)現(xiàn)。在過流時(shí)間超長情況下，電容充電將造成使能端的輸入超過門限值而變成低電平，從而通過錯(cuò)誤指示輸出腳到使能輸出腳的正反饋回路形成鎖存。但應(yīng)注意電流檢測輸入一旦設(shè)定．就只有通過將電容短路或電源重置才能復(fù)位。
溫度采集電路MOsFET在工作時(shí)，為了防止異常情況功率開關(guān)器件過熱，采用熱電阻溫度傳感器Pnoo。其測量溫度范圍一50℃～+600℃，℃時(shí)電阻值為1[)(】±O 06 Ω，允通電流≤5 mA，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了溫度采集、處理、保護(hù)電路。具體電路如圖7所示。該電壓信號經(jīng)過調(diào)整、放大后進(jìn)行比較。當(dāng)溫度大于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉Mc33035
輸出。
3.系統(tǒng)測試
原理樣機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑56mm；定子外徑；轉(zhuǎn)子質(zhì)量780 g；Ra=O．34；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，．0002~7565；Ke=0．054 v／tad；Km=O 089 Nm／。該穩(wěn)速系統(tǒng)電源電壓為llO AcV；額定轉(zhuǎn)速為／min定轉(zhuǎn)矩0．382 Nm。通過對該樣機(jī) 進(jìn)行空載閉環(huán)試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)，采用跟蹤示波器對電機(jī)采樣信號頻率進(jìn)行測量，經(jīng)過計(jì)算和分析可得出該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度小于O．01％；采用測速模塊直接實(shí)時(shí)測量轉(zhuǎn)速，經(jīng)過計(jì)算可得測速相對誤差為1．5×10的-4次方，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)曲線如圖8～圖11所示
 
4 結(jié)束語
通過對上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，采用專用芯片設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)制作比較簡單，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定；組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣。采用專用芯片Mc33035可以高效率地為無刷直流電動(dòng)機(jī)提供各種執(zhí)行動(dòng)作：開閉環(huán)起動(dòng)、大速度范圍的無級調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等，很好地實(shí)現(xiàn)了對永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的要求。通過對該控制系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，各種保護(hù)功能工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目的，是理想的小功率、低成本、簡易型無刷直流電機(jī)控制器，有一定推廣價(jià)值。
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